JP2008124740A - 弾性表面波素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ほう酸リチウム単結晶基板を用いたＳＡＷ素子の特性劣化を最小に留め、かつ基板の耐湿信頼性を確保し得るように絶縁膜で基板表面を被覆する。
【解決手段】ＳＡＷ素子１０は、四ほう酸リチウム単結晶の圧電基板１１に電極膜１６を形成し、その上に形成したレジストパターン１７を用いて電極膜をエッチングしてＩＤＴ１２を形成し、露出した基板表面をオーバエッチングしかつ残存するレジスト材料を除去した後、ＩＤＴを含む基板上にＳiＯ_２の絶縁膜を形成する。オーバエッチングの深さｄを０．００５〜０．０３５μｍとし、絶縁膜の厚さｔをｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åに設定する。更に絶縁膜の厚さｔを電極膜の厚さＴに関して０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足するように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave ）を利用した弾性表面波素子及びその製造方法に関し、特に四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板にＩＤＴを形成したＳＡＷ素子及びその製造方法に関する。

従来から、圧電基板の表面に形成した交差指電極からなるＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）により励振するＳＡＷを利用したＳＡＷ素子を備える共振子、フィルタ、発振器等のＳＡＷデバイスが、様々な電子機器に広く使用されている。ＳＡＷ素子の圧電基板には、例えば水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム等の様々な圧電材料が用いられている。

これらの中で、特に四ほう酸リチウム単結晶は、電気機械結合定数が大きく、温度安定性に優れた圧電材料として注目されている（例えば、特許文献１，２を参照）。しかしながら、四ほう酸リチウム単結晶からなる圧電基板は、水分や酸等を吸収して溶解する潮解性を有する。そのため、四ほう酸リチウム単結晶基板の表面にＳiＯ_２等の絶縁膜を形成して、耐湿信頼性を高める弾性波デバイスの製造方法が知られている（例えば、特許文献３を参照）。

また、四ほう酸リチウム単結晶基板の表面にＩＤＴとして金属膜を形成した弾性表面波装置において、該基板及び金属膜上に絶縁膜を形成することによって電気機械結合係数をより大きく、位相速度を速く、伝搬損失を小さくできること、及び絶縁膜にＳiＯ_２を用いることによって、伝搬速度の温度特性を向上できることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１によれば、特に絶縁膜の規格化膜厚を５〜３５％にすると、電気機械結合係数を上昇させることができる。

更に、四ほう酸リチウム単結晶基板を用いた弾性表面波装置において、圧電基板上にＳiＯ_２からなる絶縁膜を形成し、その膜厚ｈをｋｈ＜０．０３（但し、ｋ＝２π／λ、λ：ＳＡＷの１波長）にすると、挿入損失の増加を抑制できることが知られている（例えば、特許文献２を参照）。

他方、ＳＡＷ素子において圧電基板上に形成した電極膜をパターニングしてＩＤＴを形成する場合、圧電基板上に電極膜の残渣が残ると、絶縁抵抗を低下させたり、電極間をショートさせる虞がある。そのため、電極膜のパターニング後に圧電基板表面をオーバエッチングして、電極膜の残渣を完全に除去する工程が一般に採用されている（例えば、特許文献４，５を参照）。

オーバエッチングは圧電基板の表面を損傷し、ＳＡＷデバイスの特性を劣化させる虞がある。特許文献４では、オーバエッチング処理を全エッチング時間の５〜５０％とし、僅かに基板表面をエッチングするだけとしている。また、特許文献５では、オーバエッチングは約１分間で、エッチング量は２００Å程度である。

特開平５−２５９８０２号公報 特開平７−３２６９４２号公報 特開平５−９０８６４号公報 特開２０００−５８４７９号公報 特開平６−４５２８８号公報

図５は、上述したように圧電基板表面をオーバエッチングした従来のＳＡＷ素子を示している。圧電基板１上には、ＩＤＴを構成する交差指電極２が形成され、該交差指電極が形成されていない基板表面は浅くオーバエッチングされ、交差指電極２を含む基板全面に絶縁膜３が形成されている。しかしながら、一般にスパッタリングや蒸着で形成される絶縁膜３は両端の膜厚が薄くなる。そのため、圧電基板のオーバエッチングで交差指電極２の下端と絶縁膜３との間に隙間４が生じて基板材料が露出する虞がある。圧電基板１が四ほう酸リチウム単結晶基板からなる場合、水分や酸が侵入して基板表面を溶解させ、所望の特性が得られないという問題を生じる。

また、圧電基板上に形成する電極膜の厚さが大きい場合、それに対応してオーバエッチング量を例えば０．０２５〜０．０３５μｍ程度まで多くしないと、電極膜の残渣を完全に除去することはできない。従って、基板表面のオーバエッチング量や絶縁膜の厚さがＳＡＷ素子の特性に及ぼす影響は、電極膜の厚さとの相関関係をも考慮して検討する必要がある。しかしながら、本願発明者が知る限り、かかる報告は未だなされていない。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板にＩＤＴを形成したＳＡＷ素子において、該圧電基板の表面を被覆する絶縁膜を、それによるＳＡＷ素子の挿入損失等の特性劣化を最小に留め、かつ圧電基板の耐湿信頼性を保証するように形成し得るＳＡＷ素子の製造方法を提供することにある。

更に本発明の目的は、四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板の耐湿信頼性に優れ、かつそのために形成される絶縁膜による挿入損失等の特性劣化を最小にしたＳＡＷ素子を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板の主面に厚さＴの電極膜を形成する工程と、該電極膜上にレジスト材料を塗布しかつパターニングする工程と、該パターニングにより露出した電極膜をエッチングして、所望のＩＤＴを構成する電極パターンを形成する工程と、かつ該電極パターンから露出する圧電基板の表面を深さｄまでオーバエッチングする工程と、電極パターン上に残存するレジスト材料を除去した後、例えばＳiＯ_２または窒化シリコンからなる厚さｔの絶縁膜を圧電基板主面の少なくともＩＤＴにより励振される弾性表面波が伝搬する領域に形成する工程とを有し、オーバエッチングの深さｄを０．００５〜０．０３５μｍとし、絶縁膜の厚さｔをｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åとなるように設定するＳＡＷ素子の製造方法が提供される。

このように圧電基板表面のオーバエッチングで電極パターンの下端に露出した四ほう酸リチウム単結晶の面を絶縁膜で覆うことによって、圧電基板の耐湿信頼性を確保しつつ、ＳＡＷ素子の挿入損失等の特性劣化を最小に留めることができる。

或る実施例では、更に前記絶縁膜をその厚さｔが電極膜の厚さＴに関して０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足するように形成する。これにより、圧電基板の耐湿信頼性を確保することに加えて、更に電極膜の厚さの大小をも考慮した上で、挿入損失等の特性劣化に及ぼす影響を最小にする最適の厚さに絶縁膜を形成することができる。

本発明の別の側面によれば、四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板と、該圧電基板主面に形成されたＩＤＴを構成する電極パターンとを備え、圧電基板の電極パターンで被覆されていない領域の表面が深さｄ＝０．００５〜０．０３５μｍまで削除され、かつ圧電基板主面の少なくともＩＤＴにより励振される弾性表面波が伝搬する領域が絶縁膜で被覆され、該絶縁膜の厚さｔがｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åを満足するように形成されたＳＡＷ素子が提供される。

同様に、ＳＡＷ素子の挿入損失等の特性劣化を最小にしながら、圧電基板の耐湿信頼性を確保するように、圧電基板表面の削除により電極パターンの下端に露出した四ほう酸リチウム単結晶の面を絶縁膜で覆うことができる。

この場合にも、或る実施例では、更に前記絶縁膜の厚さｔが電極パターンの厚さＴに関して０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足することにより、絶縁膜を電極膜の厚さにも対応して、挿入損失等の特性劣化に及ぼす影響を最小にする最適の厚さに形成することができる。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１（Ａ）は、本発明を適用した１ポート型共振子用のＳＡＷ素子１０を示している。ＳＡＷ素子１０は、四ほう酸リチウム単結晶基板からなる矩形の圧電基板１１を有する。圧電基板１１の主面には、その略中央に１対の交差指電極１２ａ、１２ｂからなるＳＡＷ励振用のＩＤＴ１２が形成され、その長手方向の両側にそれぞれ格子状の反射器１３、１３が形成されている。前記交差指電極及び反射器は、加工性及びコストの観点からＡｌからなる電極膜で形成されている。別の実施例では、ＡｌにＣｕを添加した合金を前記電極膜に用いることもできる。

図１（Ｂ）は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って圧電基板１１及び交差指電極１２ａ、１２ｂの断面を示している。同図において、圧電基板１１の表面は、交差指電極１２ａ、１２ｂの無い領域が深さｄまで削除されている。図示しないが、圧電基板１１表面の前記反射器等の電極膜で被覆されていない領域も、同様に深さｄまで削除されている。本実施例において、前記深さｄは、実質的にＳＡＷ素子１０の特性を劣化させないように、前記電極膜の厚さを考慮しながら０．００５〜０．０３５μｍの範囲で適当に設定する。

交差指電極１２ａ、１２ｂ及び前記反射器を含む圧電基板１１の主面全面は、ＳiＯ_２からなる厚さｔの絶縁膜１４で被覆されている。絶縁膜１４の厚さｔは、ｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åを満足するように設定する。この絶縁膜１４によって、圧電基板１１を深さｄまで削除することにより前記各交差指電極の下端に露出した四ほう酸リチウム単結晶の側面１５を完全に覆うことができる。従って、四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板１１の耐湿信頼性を確保することができる。

絶縁膜１４の厚さｔは、更に交差指電極１２ａ、１２ｂの厚さＴに関して、０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足するように設定することができる。これにより、電極膜の厚さを考慮して上記範囲内で設定される深さｄに対応して、絶縁膜１４を、ＳＡＷ素子１０の特性を劣化させない厚さで形成することができる。

また前記絶縁膜は、ＳiＯ_２以外に窒化シリコンで形成することもできる。尚、圧電基板１１主面に配置されるボンディングパッド等の電気的接続部上に絶縁膜１４を設けないことは言うまでもない。また、絶縁膜１４は、少なくとも圧電基板１１主面のＩＤＴ１２により励振されるＳＡＷが伝搬する領域にのみ設けることができる。それにより、ＳＡＷ素子１０の所望の特性を維持することができる。この場合、本実施例では、絶縁膜１４が少なくともＩＤＴ１２及び反射器１３、それらを構成する電極間の領域、前記ＩＤＴと反射器間の領域、並びに前記反射器と圧電基板１１の隣接する各端辺間の領域に設けられる。

図２を用いて、図１のＳＡＷ素子１０を製造する工程を説明する。先ず、図２（Ａ）に示すように、圧電基板１１の表面にＡｌ電極膜１６を蒸着又はスパッタリングなどの公知方法により所定の膜厚Ｔに形成する。Ａｌ電極膜１６の上にレジスト材料を塗布し、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングして、ＩＤＴ１２及び反射器１３に対応するレジストパターン１７を形成する。次に、レジストパターン１７から露出したＡｌ電極膜１６を反応性イオンエッチングなどのドライエッチングで除去する（図２（Ｂ））。実際上、図２（Ｂ）の工程で圧電基板１１の表面からＡｌ電極膜１６を完全に除去することは困難で、Ａｌ電極材料の残渣１８が残っている。

次に、露出した圧電基板１１の表面を、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングによりオーバエッチングし、Ａｌ電極膜１６の残渣１８を除去するだけでなく、元の基板表面から深さｄまで削除する（図２（Ｃ））。この深さｄは、上述したように、実質的にＳＡＷ素子１０の特性を特性を劣化させないように、前記電極膜の厚さを考慮しながら０．００５〜０．０３５μｍの範囲で適当に決定する。これにより、各交差指電極１２ａ、１２ｂの下端には、四ほう酸リチウム単結晶の側面１５が露出する。別の実施例では、適当なエッチング液を用いたウエットエッチングにより、圧電基板１１表面をオーバエッチングすることができる。

次に、交差指電極１２ａ、１２ｂ上に残存するレジストパターン１７を除去する（図２（Ｄ））。この後、交差指電極１２ａ、１２ｂ及び前記反射器を含む圧電基板１１の主面全面に、ＳiＯ_２をスパッタリングまたは蒸着等の公知方法により付着させて絶縁膜１４を形成する（図２（Ｅ））。絶縁膜１４の厚さｔは、上述したようにｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åを満足するように設定する。これにより、圧電基板１１表面のオーバエッチングによって前記各交差指電極の下端に露出した四ほう酸リチウム単結晶の側面１５を絶縁膜１４で完全に覆うことができるので、圧電基板１１の耐湿信頼性が確保される。

更に絶縁膜１４の厚さｔは、交差指電極１２ａ、１２ｂの厚さＴに関して、０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足するように設定することができる。これにより、電極膜１６の厚さを考慮して上記範囲で適当に設定されるオーバエッチングの深さｄに対応して、絶縁膜１４を、ＳＡＷ素子１０の特性を劣化させないように形成することができる。このようにして、所望の電極構造及び絶縁膜を有する図１（Ｂ）のＳＡＷ素子１０が得られる。

前記絶縁膜は、ＳiＯ_２以外に窒化シリコンで形成することもできる。また、絶縁膜１４は、圧電基板１１主面に配置されるボンディングパッド等の電気的接続部には設けないように形成する。また、これらの電気的接続部上に絶縁膜を形成した場合は、その部分を後の工程で削除する。更に、絶縁膜１４は、少なくとも圧電基板１１主面のＩＤＴ１２により励振されるＳＡＷが伝搬する領域にのみ設ければよく、それによりＳＡＷ素子１０の所望の特性を維持することができる。この場合、本実施例では、少なくともＩＤＴ１２及び反射器１３、それらを構成する電極間の領域、前記ＩＤＴと反射器間の領域、並びに前記反射器と圧電基板１１の隣接する各端辺間の領域を覆うように、絶縁膜１４を形成する。

このようにして製造したＳＡＷ素子１０について、ＳiＯ_２からなる絶縁膜１４の厚さｔに関する挿入損失及びその変動量の変化を測定した。ここで、挿入損失の変動量は、ＳＡＷ素子１０を４０℃、相対湿度８５％の雰囲気内に晒した状態のまま一定時間経過させたときに、その前後で測定した挿入損失の変動量であり、ＳＡＷ素子１０の時間経過による挿入損失の劣化を表す指標の１つである。

それらの結果を図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図３（Ａ）から分かるように、挿入損失は、絶縁膜１４の厚さｔが大きくなるほど増大する。これに対し、挿入損失の変動量は、図３（Ｂ）から、絶縁膜１４の厚さｔが３５０Å付近までは急激に低下し、それを超えると略一定になることが分かる。これらの結果から、絶縁膜１４は３５０Å以上の厚さに形成すれば良い。更に厚さｔの上限は、挿入損失が大きくなり過ぎない９００Åに設定するのが好ましい。従って、本発明によれば、圧電基板の耐湿信頼性を確保しつつ、ＳＡＷ素子の挿入損失等の特性劣化が最小となるように、絶縁膜１４の厚さｔを最適に設定できることが分かった。

また、上述したように、オーバエッチングの深さｄは、電極膜１６の厚さＴを考慮してＳＡＷ素子１０の特性を劣化させないように設定するから、絶縁膜１４の厚さｔも深さｄを考慮して設定することが好ましい。そこで、上述したように製造したＳＡＷ素子１０について、電極膜１６の厚さＴに対するＳiＯ_２からなる絶縁膜１４の厚さｔの比に関する挿入損失及びその変動量の変化を測定した。

それらの結果を図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図４（Ａ）から分かるように、挿入損失は、図３（Ａ）の場合と同様に、電極膜１６と絶縁膜１４との厚さの比ｔ／Ｔが大きくなるほど増大する。これに対し、挿入損失の変動量は、図４（Ｂ）から、前記厚さの比ｔ／Ｔが０．１８付近までは急激に低下し、それを超えると略一定になることが分かる。これらの結果から、絶縁膜１４の厚さｔは、電極膜１６の厚さＴに対して０．１８以上の比率で形成すればよい。更に厚さｔの上限は、挿入損失が大きくなり過ぎないように、０．４２以下の比率に設定するのが好ましい。従って、本発明によれば、更に電極膜１６の厚さの大小をも考慮した上で最適の厚さに絶縁膜１４を形成できることが分かった。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、これに様々な変形・変更を加えて実施し得ることは当業者に明らかである。例えば、上記実施例の１ポート型、シングル型ＩＤＴ以外に、反射器を有しないものや、２ポート型、トランスバーサル型などの様々な構成を有するＳＡＷ素子、または共振子以外の様々なＳＡＷデバイスについても、本発明は同様に適用することができる。反射器を有しないＳＡＷ素子の場合には、少なくともＩＤＴ及びそれを構成する交差指電極間の領域、並びにＩＤＴと圧電基板の各端辺間の領域に絶縁膜を形成すれば、ＳＡＷ素子の特性を維持することができる。

（Ａ）図は本発明を適用したＳＡＷ素子を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における部分拡大断面図。 （Ａ）〜（Ｅ）図は図１のＳＡＷ素子を製造する工程を順に示す図１（Ｂ）と同様の部分拡大断面図。 （Ａ）図及び（Ｂ）図はそれぞれ絶縁膜の厚さｔに関するＳＡＷ素子の挿入損失及び挿入損失変動量を示す線図。 （Ａ）図及び（Ｂ）図はそれぞれ電極膜厚Ｔに対する絶縁膜の厚さｔの比に関するＳＡＷ素子の挿入損失及び挿入損失変動量を示す線図。 従来のＳＡＷ素子を示す図１（Ｂ）と同様の部分拡大断面図。

符号の説明

１，１１…圧電基板、２，１２ａ，１２ｂ…交差指電極、３，１４…絶縁膜、４…隙間、１０…ＳＡＷ素子、１２…ＩＤＴ、１３…反射器、１５…側面、１６…電極膜、１７…レジストパターン、１８…残渣。

Claims (6)

1. 四ほう酸リチウム（Ｌi_２Ｂ_４Ｏ_７）単結晶基板からなる圧電基板の主面に厚さＴの電極膜を形成する工程と、前記電極膜上にレジスト材料を塗布しかつパターニングする工程と、前記パターニングにより露出した前記電極膜をエッチングして、所望のＩＤＴを構成する電極パターンを形成する工程と、かつ前記電極パターンから露出する前記圧電基板の表面を深さｄまでオーバエッチングする工程と、前記電極パターン上に残存する前記レジスト材料を除去した後、前記圧電基板主面の少なくとも前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波が伝搬する領域に厚さｔの絶縁膜を形成する工程とを有し、
   前記オーバエッチングの深さｄを０．００５〜０．０３５μｍとし、前記絶縁膜の厚さｔをｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åとなるように設定することを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
2. 前記絶縁膜の厚さｔを、更に前記電極膜の厚さＴに関して０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足するように設定することを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子の製造方法。
3. 前記絶縁膜が二酸化珪素（ＳiＯ_２）または窒化シリコンからなることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波素子の製造方法。
4. 四ほう酸リチウム単結晶基板からなる圧電基板と、前記圧電基板の主面に形成されたＩＤＴを構成する電極パターンとを備え、前記圧電基板主面の前記電極パターンで被覆されていない領域が深さｄ＝０．００５〜０．０３５μｍまで削除され、かつ前記圧電基板主面の少なくとも前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波が伝搬する領域が絶縁膜で被覆され、前記絶縁膜の厚さｔがｔ＞ｄかつ３５０Å＜ｔ＜９００Åを満足するように形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
5. 前記絶縁膜の厚さｔが、更に前記電極パターンの厚さＴに関して０．１８Ｔ＜ｔ＜０．４２Ｔを満足することを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波素子。
6. 前記絶縁膜が二酸化珪素または窒化シリコンからなることを特徴とする請求項４または５に記載の弾性表面波素子。

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